一、项目名称

台达学科研究基金

二、项目实施单位

西安交通大学电气工程学院

三、项目简介

为支持西安交通大学教育事业发展，中达电通股份有限公司向西安交通大学捐资设立“台达学科研究基金”，用于支持西安交通大学电气工程学院开展科学研究。

SiC-MOSFET（碳化硅-金属氧化物半导体场效应晶体管）作为新一代宽禁带半导体器件，其拥有更快的开关速度，更小的开关损耗和更高的击穿电压，因此在中高压、大功率电力电子领域越来越受到广泛关注，甚至有望在将来完全替代Si-IGBT（硅-绝缘栅双极型晶体管）。尽管SiC-MOSFET与Si-IGBT相比拥有更高电压的潜力，但是目前商用SiC-MOSFET最高电压仅有1.7kV，因此在中、高压等应用领域依然捉襟见肘；电压等级达到甚至超过10kV的SiC器件虽然屡见报道，但这些器件仍然处于实验室研究阶段且价格及其昂贵，短期内难以商业化。

针对单只SiC器件耐压等级不足的问题，学术界提出了采用低压器件直接串联组成高压器件的方案，这样带来的好处主要有两点：1）从电路和控制角度来讲，与采用多电平电路相比，器件串联的优势是元件数量少、拓扑结构和控制算法简单；2）从器件性能来讲，与单只高压器件相比，多只器件串联拥有更低的芯片制造成本、更大的芯片电流密度、更小的导通损耗和更强的抗辐射能力。因此，随着SiC器件在高压大功率变流器中的进一步应用，SiC器件串联均压技术也必将拥有更广泛的应用前景。

四、开展时间及流程

第一阶段：2020年9月–2021年2月

1)调研国内外与本项目相关的最新研究和发展动态，进一步凝练本项目的研究思路并对研究方案进行论证；

2)重点研究SiC-MOSFET串联均压拓扑的工作机理，明确拓扑中的能量转移过程和能量回馈路径构造方法。

第二阶段：2021年3月–2021年8月

1)提出完善的SiC-MOSFET串联均压拓扑结构，通过搭建电路仿真验证拓扑的可行性；

2)在上述基础上，进一步根据仿真和理论分析所获得的结论，对均压电路拓扑的各项参数进行优化设计，反复迭代，最终确立电路的拓扑结构和各元件参数；

3)搭建SiC-MOSFET串联全功率样机，采用至少6只SiC-MOSFET器件串联，对所获得的均压拓扑进行开环功能验证，重点关注样机中串联器件的不均压水平、无源元件的电应力的关键指标。

4）总结成果，发表部分论文。

第三阶段：2021年9月–2022年2月

1)研究均压拓扑的钳位电容电压闭环控制策略，目标是将钳位电容的电压控制在Vdc/N附近，以保护所有串联的MOSFET，随后通过仿真验证控制策略的有效性；

2)完成均压拓扑的钳位电容电压与dv/dt协同控制策略，在无源器件应力允许的前提下对dv/dt进行宽范围调节，并完成仿真验证；

3)利用样机验证所提出的控制策略，同时关注控制策略对样机中串联器件的不均压水平、无源元件的电应力的关键指标的影响程度；

4)根据研究成果申请专利，并撰写学术论文。

五、项目成果

1)基于钳位电容交错互联型SiC-MOSFET串联拓扑的高压反激变换器

在项目开展之前，负责人及其所在团队已经提出并验证了一种半SiC-MOSFET串联桥臂拓扑（即P型拓扑），初步实现了钳位电容的电压自均衡。通过这些工作，基本明确了SiC-MOSFET串联均压拓扑的工作机理。在此基础上，针对部分需要高压输入，低压输出的直流/直流变换应用，运用所提出SiC-MOSFET串联拓扑，并结合传统的反激变换器电路，最终实现了Vin=1~4kV，Vo=100V，P=120W的宽范围电压压输入、高降压比的直流/直流变换器样机。样机中的主开关采用5只1.7kV SiC MOSFET串联，关断电压峰值达到5kV，且各个串联SiC-MOSFET的不均压度可以被控制在3%以内，取得了优异的串联均压效果。除此之外，利用所提出拓扑中的缓冲电容，可以将反激变换器中变压器漏感存储的能量有效地回收起来，并为器件提供驱动能量，从而提升了变换器的总体效率。在输入电压为在1~4kV宽范围变化时，变换器的峰值效率达到90%以上。该部分研究在电力电子领域顶级期刊IEEE Transactions on Industrial Electronics上发表论文一篇[1]。

[1] F. Zhang, Y. Ren, X. Yang, W. Chen and L. Wang, "A High Input Voltage Auxiliary Power Supply Utilizing Automatic Balanced MOSFET Stack," inIEEE Transactions on Industrial Electronics, doi: 10.1109/TIE.2020.3038097.

2)提出了一种基本的钳位电路交错互联型SiC-MOSFET串联拓扑

在P型拓扑的基础上，本项目采用拓扑镜像的方式，将原有的P型串联拓扑变换为N型拓扑。不难发现，P型拓扑中，各钳位电容的能量自上向下转移，过剩的钳位电容能量逐步转移至最底端的电容C_p1中无法泄放；而N型结构正好相反，钳位电容中的能量自下向上转移，过剩能量逐步转移至最高侧的电容C_n1中无法泄放。为了回馈电容中的过剩能量，本项目将P型拓扑和N型拓扑结合起来，进一步组成了半桥拓扑。借鉴多电平电路的思想，通过调整串联SiC-MOSFET之间的脉冲延时，即可构造出钳位电容放电路径，从而将钳位电路中的过剩能量完全回馈到直流电源中去，继而为控制钳位电容电压并抑制均压损耗提供了解决思路。

为验证所提钳位电路拓扑在SiC-MOSFET串联均压方面的效果，本项目已搭建了新型拓扑的仿真模型，并进行了开环仿真验证。从仿真结果来看，新型拓扑在不改变均压效果的基础上，确实可以为钳位电容提供放电路径，从而初步验证了方案的可行性。目前已经申请国家发明专利一项[2]。

[2] 张帆，杨旭“一种半桥型电力电子器件串联均压电路。”202010948290.8

六、财务报告

2020年12月31日